Si lanzas una piedra a un estanque, se forman ondas en el agua. En un material magnético también hay ondas, pero lo que oscila no son moléculas de agua, sino las direcciones de las flechas magnéticas de los átomos. Estas ondas se denominan magnones, y su comportamiento permite comprender mucho sobre las fuerzas invisibles entre los átomos.
En el nuevo experimento, se hizo pasar un haz de neutrones a través de cristales de Na₂IrO₃, un compuesto de sodio, iridio y oxígeno. Los neutrones, como diminutas bolas, rebotaban en los átomos y perdían energía, excitando magnones. Resultó que estas ondas tienen una energía mínima: una brecha de 1,7(1) meV. Es como si las ondas en el agua no pudieran ser más pequeñas que un cierto tamaño. Esta brecha surge debido al orden en zigzag de los momentos magnéticos: los átomos no se alinean de forma recta, sino en forma de serpiente, y la onda debe superar ese patrón.
Estos materiales interesan a los físicos porque en ellos podría realizarse la llamada física de Kitaev, un tipo especial de estado magnético similar a un líquido cuántico de espines. En tal líquido, las flechas magnéticas de los átomos no se congelan ni siquiera en el cero absoluto, sino que oscilan constantemente. Na₂IrO₃ y α-RuCl₃ son dos candidatos para este papel, pero su comportamiento difiere debido al signo de las interacciones entre átomos vecinos. Los nuevos datos ayudan a refinar el modelo: en Na₂IrO₃ el intercambio entre vecinos más cercanos es antiferromagnético, mientras que en α-RuCl₃ es ferromagnético. Es como la diferencia entre dos resortes: uno empuja las flechas vecinas en direcciones opuestas, el otro en la misma dirección.
Comprender estos materiales podría conducir al desarrollo de nuevas tecnologías cuánticas, donde la información se almacene y procese mediante espines en lugar de cargas. Por ahora se trata de investigación fundamental, pero cada experimento preciso nos acerca al control de los estados magnéticos a nivel atómico.
La energía de 1,7 meV es aproximadamente cien millones de veces menor que la energía de un fotón de luz visible. Para calentar un gramo de agua en un grado, se necesitarían alrededor de 10²⁰ de estos magnones.